表面微结构对圆柱表面过冷水滴撞击特性研究

表面微结构对圆柱表面过冷水滴撞击特性研究

梁朝江，管宁 *，吕琳琳

山东交通学院， 山东济南 250357

摘要：针对飞机防冰问题，采用疏水表面提高其热效率，建立了具有微结构的圆柱疏水防冰表面模型，模拟了具有表面微结构的疏水性对水滴收集系数和撞击极限的影响，发现表面微结构使圆柱表面的水滴收集系数在驻点附近出现了次峰值；当水滴撞击直径相同时，光滑表面水滴收集系数在0.3ma附近达到最大，而疏水表面水滴收集系数随微凸起高度的增加而明显下降；疏水表面驻点附近的水滴收集系数随Ma数增加先增大后减小，0.35ma左右达到极值。

关键词：模型；计算结果

1. 前言

飞机在结冰气象条件下执行任务时，空气中的过冷水滴与机翼、发动机唇、雷达罩等部位发生撞击后会产生结冰现象，冰层的生长不但会破坏飞行器的气动外形，而且有可能造成发动机损坏等严重问题，因此必须采用防/除冰措施[1-3]。热气防/除冰和电热防/除冰应用最为广泛的除冰方法，而这两种防/除冰方法都需要消耗大量的机载能量，因此需要探索降低防/除冰功率的有效方法，超疏水性表面即是其中之一[4-6]。

Young最早提出了疏水表面的三相接触角计算方程，而Wenzel则在Young方程基础上添加了粗糙度这一变量，以分析粗糙结构对接触角的影响；Cassie 等又在Wenzel模型的基础上提出了复合接触的概念，对Wenzel模型加以补充。

本文正是基于Cassie模型，通过建立具有不同微结构的疏水表面模型，探索了疏水性表面微结构对圆柱表面高速过冷水滴撞击特性的影响规律。

二、数学模型

基于Wenzel模型和Cassie模型理论，本文以D=0.2mm的圆柱为撞击对象，建立了如图1（a）~（d）所示的具有不同表面结构的几何模型。

（a） （b）

（c） （d）

图1 四种不同表面结构的几何模型

基于上述几何模型建立结构化网格，采用FLUENT对空气流场进行求解，并采用FENSAP软件对水滴撞击特性进行了模拟。

2. 计算结果

为了对比不同高度表面微凸起结构对水滴撞击特性的影响，图2给出了不同凸起高度圆柱表面的水滴收集系数。

(a)High1 (b) high2 (c)high3

图2 不同凸起高度圆柱表面的水滴收集系数云图

通过对比可以看出，当凸起高度不超过0.002mm时，随着表面凸起高度的逐渐增大，驻点附近的水滴收集系数增大；当凸起高度大于0.002mm时，驻点附近水滴收集系数则随凸起高度的增加而有所下降。

为了研究不同表面凸起微结构对圆柱表面液态水含量、收集系数及撞击极限的影响，本文对微凸起高度分别为h1=10μm，h2=20μm，h3=30μm的圆柱，在马赫数分别为0.2、0.3、0.4和0.5时的水滴撞击特性进行了模拟。

（a）LWC，光滑 （b）收集系数，光滑

（c）LWC，h1 （d）收集系数，h1

图4 不同表面圆柱轴对称壁面上LWC和水滴收集系数分布

为了分析不同尺寸微结构对圆柱表面水滴收集特性的影响，图3（a）~（d）给出了光滑表面和表面有h1高度微结构的疏水表面上的液态水含量LWC及水滴收集系数的分布情况。由图可以看出，当圆柱表面布满微结构时，受微结构及其间隙的影响，LWC和水滴收集系数的分布出现了较大变化，在微结构顶部，LWC和水滴收集系数较高，而在微结构间隙的底部，由于微结构的阻挡，LWC和水滴收集系数则出现剧烈下降，因此LWC和水滴收集系数在撞击极限内呈现锯齿状分布，如图3（c）~（d）所示。当表面微结构高度发生变化时，尽管水滴撞击极限和水滴收集系数值略有差异，但撞击特性变化规律基本一致。

为了进一步分析不同高度微结构对过冷水滴收集特性的影响，本文针对图3（d）中水滴收集系数曲线上的A、B和C点，分别对比了不同高度微结构圆柱表面水滴收集系数随Ma数的变化情况，如图6-8所示。

图4 A点水滴收集系数对比 图5 B点水滴收集系数 图6 C点水滴收集系数对比

由图4可以看出，光滑圆柱表面A点上水滴收集系数随Ma的增加先增大后减小，当Ma=0.3时，A水滴收集系数取得最大值0.45。受微结构凸起的阻挡，有微结构的圆柱表面A点上水滴收集系数要高于光滑表面，最大收集系数均高于0.65。而位于驻点附近微结构形成的局部遮蔽区里的B点上的水滴收集系数，则随微结构高度的增加出现了明显下降，如图5所示。

图6给出了驻点上不同表面结构圆柱对称壁面上的水滴收集系数对比，当圆柱表面微结构高度为3μm及2μm时，圆柱驻点上水滴收集系数明显低于光滑表面。

图7水滴收集系数（h3，A点） 图8水滴收集系数（h3，B点）

图9 水滴收集系数（h3，C点）

图7~9给出了不同直径过冷水滴在高度h3微结构表面A、B点上水滴收集系数随Ma变化规律，通过对比可以看出疏水圆柱表面A点上水滴收集系数随Ma的增加而增大，但是增大的幅度是越来越小。而位于驻点附近微结构形成的局部遮蔽区里的B点上的水滴收集系数，即驻点附近的局部水滴收集系数最小值，则随水滴撞击直径的增加明显增加，且水滴撞击直径越小，变化越明显；水滴撞击直径越大，收集系数的最大值也就越大，由图可以看出，当ma=0.35附近时达到极值。

3. 小结

1. 与光滑表面相比，表面微结构对圆柱表面的水滴收集系数分布产生了明显影响，不同于光滑圆柱的正态分布，而是在驻点附近出现了第二个较小的峰值；

2. 当水滴撞击直径相同时，光滑表面水滴收集系数在0.3ma附近达到最大，而疏水表面水滴收集系数随微凸起高度的增加而明显下降；

3. 疏水表面驻点附近的水滴收集系数随Ma数增加先增大后减小，0.35ma左右达到极值。

参考文献：

[1] 刘洋，李林凯，李海星，表面润湿性对动态冰的影响的实验研究[J]，Aerospace Science and Technology ，2018，73， 164–172

[2] 陈华新，吴永昌，夏慧云等，冰面附着力研究的回顾和疏水性表面的应用路面除冰[J]，journal of traffic and transp ortation engineering ，5 (3): 2018; 224 -238

[3] 冷梦尧，常士楠，丁亮，不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟，化工学报，2016,67（7）：2784-2792

[4]Reza Attarzadeh, Ali Dolatabadi，Icephobic performance of superhydrophobic coatings: A numerical analysis[J], International Journal of Heat and Mass Transfer ，2019，136，1327–1337

[5]易贤，飞机积冰的数值计算与积冰实验的相似准则研究[D]，中国空气动力研究与发展中心研究生部，博士学位论文，2007

[6]张洋，飞机除冰参数优化配置研究[D]，中国民航大学，硕士学位论文，2019

^通信作者，E-mail: nn01006101@163.com

基金项目：山东省自然科学基金面上项目，ZR2020MA061；山东省高等学校青创科技支持计划, 2019KJJ009